Organische Chemie

Duroplaste

Wenn du schon mal daheim mit Klebstoff gebastelt hast, dann war dieser sehr wahrscheinlich ein Duroplast. Hierbei handelt es sich um einen Kunststofftyp. Und wie dessen chemische Struktur aussieht, über welche Eigenschaften er verfügt und weitere Beispiele aus dem Alltag kannst du in diesem Beitrag nachlesen.

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Inhaltsübersicht

Duroplaste einfach erklärt

Ein Duroplast, auch Duromer oder Thermodur genannt, ist einer von drei Polymertypen, in die Kunststoffe nach ihrem thermischmechanischen Verhalten eingeteilt werden. Er besteht aus langkettigen Makromolekülen, meist auf Kohlenstoffbasis, und gehört demnach zur Gruppe der organischen Verbindungen.

Merke
Diese Molekülketten sind aus sich immer wiederholenden Bausteinen, den Monomeren, aufgebaut und durch kovalente Bindungen engmaschig miteinander vernetzt.

Aus diesem Grund kannst du einen ausgehärteten Duroplasten durch Erhitzen nicht mehr nachträglich umformen. Dadurch unterscheidet er sich grundlegend von den Thermoplasten .

Duroplaste Struktur

Duroplaste sind dreidimensionale, engmaschig miteinander vernetzte Strukturen aus Makromolekülen. Die einzelnen Molekülketten liegen in der Regel völlig ungeordnet, also amorph vor und sind durch kovalente Bindungen chemisch miteinander verbunden.

Duroplaste Klassifizierung

Die Art der Vernetzung ist bei den drei Polymergruppen Duroplaste, Elastomere  und Thermoplaste verschieden. Daher resultieren auch große Unterschiede in deren Eigenschaften. Die ersten beiden Vertreter sind jeweils chemisch vernetzt. Kovalente Bindungen können nicht durch Wärmezufuhr reversibel gelöst werden, weshalb Polymere dieser Typen nicht schmelzbar sind.

Duroplast, Elastomer, Thermoplast - Struktur
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Duroplast, Elastomer, Thermoplast – Struktur

Im Gegensatz zu den Duroplasten sind die Polymerketten bei den Elastomeren nur weitmaschig miteinander vernetzt. Außerdem liegen Makromoleküle bei letzteren im Normalzustand zusammengeknäuelt vor. Daher resultiert die typische Streckbarkeit dieses Materials unter mechanischer Spannung.

Bei Thermoplasten sind die Kettenmoleküle gar nicht chemisch vernetzt. Die Ketten liegen lediglich verknäuelt vor und sind an manchen Stellen über schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen miteinander verbunden. Dieser Bindungstyp kann thermisch reversibel gelöst werden, weswegen Thermoplaste auch schmelzbar sind.

Duroplaste Herstellung

Um einen Duroplast herzustellen, benötigst du als Grundlage Moleküle, die an mindestens drei Stellen mit benachbarten Molekülen kovalente Bindungen ausbauen können. Daher sind die Prepolymere für einen Duroplast tri- oder mehrfunktionale Verbindungen, wie zum Beispiel Glycerin. Diese können durch Zugabe von Härtern und eventuell Katalysatoren oder durch hohe Temperaturen polymerisieren und zu einem engmaschigen dreidimensionalen Netzwerk reagieren.

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Glycerin Molekül

Als erstes erzeugt man niedermolekulare Vorprodukte, sogenannte Kunstharze, aus den Monomeren. Je nach Art des Rohstoffs erfolgt dies über Polykondensation oder über Polyaddition. Anschließend vermischt man die Harze mit Härtern und eventuell noch noch Reaktionsbeschleuniger. Das Beimischen von Zusatzstoffen, wie etwa Farbstoffe und Trennmittel ist ebenfalls üblich. Auch eine Zugabe von festen Füll- und Verstärkungsstoffen als Harzträger mit einem Massenanteil von etwa 40 bis 65 % ist möglich.

Duroplaste Eigenschaften

Durch die engmaschige, chemische Vernetzung sind die Makromoleküle in ihrer Bewegungsfreiheit stark eingeschränkt. Aus diesem Grund ist ein Duroplast nicht schmelzbar. Bei niedrigen Temperaturen befindet er sich im hartelastischen Bereich und ist hart und spröde.

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Hartelastischer Zustand

In diesem Zustand lässt sich der Kunststoff mechanisch bearbeiten. Du kannst den ausgehärteten Duroplast also sägen, bohren, schleifen oder fräsen. Dies wird in der Praxis jedoch häufig vermieden, indem das fertige duroplastische Bauteil direkt aus den Kunstharzen hergestellt wird. Gängige Fertigungsverfahren hierfür sind Spritzguss, Extrusion, Gießen oder Pultrusion.

Erhitzt du den Duroplast über den hartelastischen Zustand hinaus, so beginnt die Zerstörung der kovalenten Bindungen und der Kunststoff zersetzt sich thermisch in seine Grundbestandteile. Er durchläuft also nicht einen thermoelastischen und -plastischen Bereich und ist somit nicht durch thermische Verformung bearbeitbar. Ganz im Gegensatz zu einem Thermoplast.

Verglichen mit diesem besitzt ein Duroplast generell eine höhere thermische Beständigkeit, ist härter und steifer aber auch weniger schlagfest. Durch die Auswahl geeigneter Monomere und Zusatzstoffe kannst du bestimmte Eigenschaften, wie etwa Beständigkeit gegenüber Chemikalien, Lebensmittelechtheit oder elektrische Isolation, beim fertigen Kunststoff erreichen.

Duroplaste Beispiele

Faserverstärkte Strukturbauteile aus CFK oder GFK finden häufig Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Als Matrixmaterial wird dabei oft ein Duroplast aus Epoxidharz genutzt. Dieses wird meist aus den Verbindungen Epichlorhydrin und Bisphenol-A hergestellt.

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Epoxidharz Molekül

Aber auch im Alltag gibt es Beispiele für diesen Kunststoff. So sind häufig Topf- und Pfannengriffe ein Duroplast. Dies verdankt er seiner thermischen Beständigkeit und Isolation.


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